航天器低功耗電源控制器測控單元設計

徐海運

（中國運載火箭技術研究院研究發展部，北京，100076）

0 引言

電源控制器作為航天器電源系統的重要單機之一，主要功能是對太陽電池陣多余功率的分流調節和蓄電池的充放電控制。其中，電源控制器遙測/遙控單元（TM/TC），是完善和提高飛行器電源系統控制與管理功能的測控單元，通過總線以及OC指令與其他系統進行信息交互，是電源控制器的重要組成單元【1】。

電源控制器承擔著航天器工作期間的能量傳輸和功率調控任務，作為航天器能源傳遞的初始節點，電源控制器必須具備較低的靜態功耗，這樣才能保證得到較高的功率輸出比。而在電源控制器中，遙測遙控單元作為電源控制器自身狀態采集編碼和對外信息傳輸的重要組成部分，其功耗在電源控制器中占比較大，通過降低電源控制器遙測遙控單元的功耗，能夠大幅降低電源控制器的靜態功耗。

要實現電源控制器遙測遙控單元低功耗工作可以將其微處理器間斷性設置為待機或掉電方式，通過間斷性工作實現系統低功耗運行，但這樣就無法保證航天器全任務周期下對信號進行連續、實時監測，無法滿足航天器長期在軌運行的需求。本文對某航天器電源控制器智能遙測遙控單元從單元架構、關鍵電路模塊及軟件設計流程等方面進行了設計分析，提出電源控制器遙測遙控單元低功耗、智能化設計思路。

1 電源控制器原理及組成

目前長期在軌航天器電源系統多采用太陽電池陣—蓄電池組的聯合供電體制。其中發電裝置為太陽電池陣，儲能裝置為蓄電池組。電源控制器作為飛行器上電源系統的控制與管理中心，承擔著飛行器在軌工作期間的能量傳輸和功率調控任務。光照期，太陽電池陣輸出功率由電源控制器中分流調節電路和充電控制電路調控后給飛行器負載供電并按一定制式對蓄電池組進行充電，保證母線電壓穩定；陰影期，蓄電池組輸出功率經電源控制器中放電調節電路升壓調節，以穩定的電壓給飛行器供電【2】。系統原理框圖如圖1所示。

圖1 電源控制器原理框圖

2 遙測遙控單元架構設計

2.1 遙測遙控單元功能

電源控制器中遙測遙控單元負責電源控制器與整個航天器之間信息的相互傳送，主要功能如下：

（1）完成遙控指令譯碼，將移碼的結果送至相應執行模塊；

（2）同時將遙測遙控單元采集的PCU內部的模擬遙測量、開關狀態遙測量進行遙測編碼，形成數據流后送整個航天器來識別電源控制器內部遙測數據；

（3）完成控制模塊與電源控制器其他功能模塊之間的接口匹配和執行。

2.2 遙測遙控單元組成架構

通過梳理電源控制器遙測遙控單元基本功能，設計控制部分、外圍電路并通過RS422總線與飛行器主控進行通信。RS422總線采用兩個獨立接口，相互熱備份。每個RS422總線接口對外是通過兩對差分線與飛行器主控制單元連接，數據以串行方式通信；對內以數據總線和控制總線的方式與遙測遙控模塊內部的控制電路連接。在內部控制電路用以完成A/D轉換器的采樣控制與采樣數據通過RS422總線接口對外發送的控制；同時還完成對飛行器主控制單元通過RS422總線接口發送的命令數據進行解釋和執行的任務。

遙測/遙控單元（TM/TC）原理框圖如圖2所示。

圖2 遙測遙控單元框圖

TM/TC模塊控制電路可以完成對模擬通道（電壓、電流、溫度和狀態等參數）的輪巡采集，所有接入各模擬通道的模擬量為0～5V的信號，模擬信號進A/D轉換器形成遙測數據字節，遙測數據和一個起始字節（0x00）組成一個數據幀，在控制電路的作用之下，通過RS422接口上傳給外系統。另外，對于母線電壓、母線電流、蓄電池組電壓等重要遙測參數還以0～5V的直接模擬量信號輸出給外系統采集，作為備份。

此外，TM/TC收到飛行器主控發送的命令數據字節后進行解析，然后控制相應設備去執行所設定的命令，實現控制指令的傳輸。為了保證可靠性和安全性，電源系統保留一部分直接離散遙控指令，作為總線遙控指令的備份。

3 硬件電路模塊設計

3.1 遙測遙控單元低功耗設計措施

（1）低功耗處理器選型

相對于DSP及FPGA等高性能芯片，單片機微處理器具有低功耗的顯著優點且通過優化系統功能，其處理能力可以滿足電源控制器遙測遙控單元功能需求。

（2）時鐘優化【3】

微處理器主頻越高，處理速度越快，但是功耗也越高。微處理器在不同工作模式下，系統工作電流均隨著系統主頻的增加而增加。根據待檢測信號的頻率，考慮AD轉換速度和采樣頻率以及主程序控制周期，選定合適的主頻配置。同時，開啟微處理器內部的鎖相環倍頻模塊會增加功耗，因此選用外部晶振作為時鐘源，并關閉內部的鎖相環模塊，在保證時鐘精度的同時降低系統功耗。

3.2 CPU外圍電路

電源控制器微處理器（CPU）部分選用80C32作為主控制單元，通過外擴配置電路信號采集，通過DS26C31M和DS26C32M芯片配合CPU的UART部分實現RS422通信。CPU外圍和RS422通信接口電路如圖3，圖4所示。

圖3 CPU外圍電路

圖4 RS422通信接口電路

3.3 遙測參數采集電路

智能接口單元的遙測參數采集電路由模擬開關CC4067（分兩級選通）、運算放大器LM108A、A/D轉換器AD574組成。模擬遙測量均已經調整為0～5V的直流電壓，微處理器80C32產生模擬開關CC4067的控制和片選信號，進行模擬遙測電壓信號的選通，經過運算放大器LM108A進行阻抗匹配后，送AD574進行A/D轉換，得到對應的數字量。

運算放大器采用具有高輸入阻抗、低輸出阻抗的LM108A，其高輸入阻抗使多路開關導通電阻所引起的測量誤差減小到可以忽略的程度，而低輸出阻抗又能保證運算放大器輸出與A/D轉換器輸入電阻之間的匹配。遙測參數采集電路如圖5所示。

圖5 遙測參數采集電路

為了提高分辨率，保證測量精度，A/D轉換器選用AD574，該芯片分辨率12bit，轉換速度最大35us，芯片內含高精度的參考電壓源（10.00V），同時，轉換操作所需的時鐘信號由芯片內部提供，使它在不需要任何外部電路和時鐘信號的情況下完成A/D轉換功能，應用非常方便。

3.4 遙控指令電路

智能接口單元的間接指令電路由譯碼器CC4514和雙冗余譯碼輸出驅動電路LB8169組成，如圖6所示。CPU系統通過控制譯碼器CC4514的STR端進行對應間接指令數據的鎖存，控制INH端使BM2701AMQ的兩個控制信號產生80±10mS的有效輸出，最終形成脈沖寬度為80±10mS的OC門輸出間接指令。

圖6 遙控指令接口電路圖

譯碼器CC4514的輸入間接指令編碼數據采用低 4位（DD0～DD3）和高 4位（DD4～DD7）為補碼的編碼方式，保證智能接口單元在加電、斷電、主備份切換以及程序熱啟動時，不會產生誤指令，同時保證在工作時，同一時間只能有一條指令有效。

間接指令輸出接口電路使用雙冗余譯碼輸出驅動電路BM2701AMQ，為集電極開路輸出形式（OC門指令）。間接指令用于驅動繼電器負載，接通或斷開相關設備。

4 軟件設計

（1）單元主程序

單元主程序是單元軟件部分主體，其他多個功能模塊的子程序都在主程序的基礎上發展起來，受主程序調用。單元主程序的原理圖如圖7所示。

圖7 主程序流程圖

遙測遙控單元上電后首先進行初始化，自檢完成后進入循環執行模塊，周期性進行遙測數據采集，在1s周期空閑時間中進行指令標志的查詢，如果發現指令標志有效則執行該指令，同時響應定時器中斷和總線中斷【4】。

（2）遙測采集和指令執行程序

遙測采集和指令執行是遙測遙控單元的兩個主要功能，其流程圖如圖8所示。

圖8 遙測采集和指令執行流程圖

5 測試結果

某飛行器電源控制器智能遙測遙控單元響應智能化設計需求，對遙測遙控接口單元采用智能化控制設計，依托微處理器，用計算機軟件來執行電源系統的控制和管理任務，提高電源系統的效率、可靠性、自主管理能力并有效降低了系統功耗【3】。

以功耗對比測試說明：

（1）不同微處理器選擇的功耗對比

對不同微處理器芯片實現電源控制器遙測遙控單元功能，其功耗對比測試數據見表1所示。

表1 不同微處理器功耗數值

上表中表明，系統如采用DSP或FPGA來實現電源控制器遙測遙控功能，功耗相對單片機高很多。

（2）不同時鐘功耗對比

以80C32位處理核心，采用外部晶振，測試數據見表2所示。

表2 不同微處理器功耗數值

表2表明，微處理器主頻越高，功耗越高，另外在開啟PLL倍頻模塊會增加系統功耗。因此，在滿足系統處理速度的需求下，微處理器的主頻越低越好，并關閉鎖相環倍頻模塊。

6 總結

本文按照電源控制器智能化需求設計了系統架構及外圍電路模塊，通過系統優化配置，依托微處理器運行內部軟件來執行電源系統全任務周期的控制和管理任務，提高電源系統的效率、可靠性、自主管理能力。